GENOMICS

Citation preview

117049 Ìîñêâà, Ìàðîíîâñêèé ïåð., ä. 26 òåë. : [095] 238-24-56; e-mail: [email protected]

¹ 6 - 1999 ã. À.Ñ. Àíòîíîâ

Ãåíîìèêà è ãåíîñèñòåìàòèêà © Ïðèðîäà Èñïîëüçîâàíèå èëè ðàñïðîñòðàíåíèå ýòîãî ìàòåðèàëà â êîììåð÷åñêèõ öåëÿõ âîçìîæíî ëèøü ñ ðàçðåøåíèÿ ðåäàêöèè

Îáðàçîâàòåëüíûé ñåòåâîé âûïóñê

VIVOS VOCO! - ÇÎÂÓ ÆÈÂÛÕ! http://www.techno.ru/vivovoco

ÃÅÍÎÑÈÑÒÅÌÀÒÈÊÀ

Ïðèðîäà, 1999, ¹ 6

19

Ãåíîìèêà è ãåíîñèñòåìàòèêà À.Ñ.Àíòîíîâ

ÅÍÎÌÈÊÀ â îñíîâå ñâîåé — òà æå

Ã

Àíäðåé Ñåðãååâè÷ Àíòîíîâ, äîêòîð áèîëîãè÷åñêèõ íàóê, ïðîôåññîð, çàâåäóþùèé îòäåëîì ýâîëþöèîííîé áèîõèìèè Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêîãî èíñòèòóòà ôèçèêî-õèìè÷åñêîé áèîëîãèè èì.À.Í.Áåëîçåðñêîãî Ìîñêîâñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà èì.Ì.Â.Ëîìîíîñîâà. Îñíîâíûå íàó÷íûå èíòåðåñû ñâÿçàíû ñ ãåíîñèñòåìàòèêîé ðàñòåíèé. Íåîäíîêðàòíî ïóáëèêîâàëñÿ â «Ïðèðîäå».

ãåíîñèñòåìàòèêà. Îòëè÷èå çàêëþ÷àåòñÿ ëèøü â ïîäõîäå ê èçó÷åíèþ ãåíîìîâ îðãàíèçìîâ. Èñòîðè÷åñêè ñëîæèëîñü òàê, ÷òî ñåãîäíÿ ãåíîñèñòåìàòèêè â îñíîâíîì èçó÷àþò íóêëåîòèäíûå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ôðàãìåíòîâ ÄÍÊ (íàïðèìåð, ãåíîâ) è íà ýòîé îñíîâå ñóäÿò î ðîäñòâå îðãàíèçìîâ. Ãåíîìèêà æå èññëåäóåò è ñîïîñòàâëÿåò öåëûå ãåíîìû ÿäåð èëè îðãàíåëë êëåòîê, â òîì ÷èñëå è äëÿ öåëåé ôèëîãåíåòèêè. Çàäà÷à ýòà è ïî ñèþ ïîðó, îñîáåííî â ñëó÷àå âûñøèõ ýâêàðèîò, î÷åíü ñëîæíàÿ: âåäü ãåíîìû íàçåìíûõ ðàñòåíèé è æèâîòíûõ ïîñòðîåíû èç ìíîãèõ ìèëëèàðäîâ íóêëåîòèäîâ. Îïðåäåëèòü ïîðÿäîê èõ ðàñïîëîæåíèÿ â õðîìîñîìàõ ìîæíî òîëüêî ñ ïðèìåíåíèåì íîâåéøèõ ìîëåêóëÿðíî-áèîëîãè÷åñêèõ ìåòîäîâ, ÷òî òðåáóåò áîëüøèõ çàòðàò âðåìåíè è òðóäà. Îäíàêî, êàê ãîâîðèòñÿ, îâ÷èíêà ñòîèò âûäåëêè: ðåøåíèå åå ìîæåò ïðîëèòü ñâåò íà öåëûé ðÿä ïðîáëåì ôèëîãåíåòèêè è ñèñòåìàòèêè, íå ãîâîðÿ óæå î òîì, ÷òî ãåíîìèêà èìååò è ïðèêëàäíîå çíà÷åíèå. Âñåì ïîíÿòíî, êàê âàæíî, íàïðèìåð, äëÿ ëå÷åíèÿ íàñëåäñòâåííûõ áîëåçíåé ÷åëîâåêà çíàòü ñòðîåíèå ïîëíîãî ãåíîìà çäîðîâîé è áîëüíîé êëåòêè. Êàê òîëüêî âûÿñíèòñÿ õàðàêòåð ïîâðåæäåíèÿ «áîëüíîãî» ãåíà, ìåòîäû åãî «ëå÷åíèÿ» íå çàñòàâÿò ñåáÿ æäàòü, è ñîòíè è òûñÿ÷è ðàíåå îáðå÷åííûõ áîëüíûõ áóäóò ñïàñåíû. Ïîíÿòíî, ÷òî îäíîé ìåäèöèíîé ñôåðà ïðèìåíåíèÿ ãåíîìèêè íå îãðàíè÷èâàåòñÿ. Îíà áóäåò ïîëåçíà è â ïðîìûøëåííîñòè, è â ñåëüñêîì õîçÿéñòâå, è âî ìíîãèõ äðóãèõ ñôåðàõ äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà, íî îá ýòîì ïóñòü íàïèøóò äðóãèå. Àâòîð ñòàâèò ïåðåä ñîáîé èíóþ çàäà÷ó: ïîêàçàòü, ÷òî ãåíîìèêà óæå ñåãîäíÿ — âåñüìà óäîáíûé è ýôôåêòèâíûé èíñòðóìåíò äëÿ ðåøåíèÿ ïðîáëåì

© À.Ñ.Àíòîíîâ

2 0

êëàññè÷åñêîé áèîëîãèè, ñâÿçàííûõ ñ èçó÷åíèåì ýâîëþöèè æèâîãî, è ñîçäàíèÿ èõ ñèñòåì. Åñëè ãåíîñèñòåìàòèêà â öåëîì — ìîëîäàÿ íàóêà, òî ãåíîìèêà — âóíäåðêèíä â êîëûáåëè. Íàèáîëüøèõ óñïåõîâ îíà äîñòèãëà ïðè èçó÷åíèè ìèêðîîðãàíèçìîâ: ðàçìåð ãåíîìîâ ó íèõ íåáîëüøîé, è â íàñòîÿùåå âðåìÿ óæå îïðåäåëåíû ïîëíûå íóêëåîòèäíûå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè õðîìîñîì íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ âèäîâ àðõå- è ýóáàêòåðèé. Òàêóþ ðàáîòó îáû÷íî ïðîâîäÿò ìíîãî÷èñëåííûå êîëëåêòèâû, âêëþ÷àþùèå ìèêðîáèîëîãîâ, áèîõèìèêîâ, ìîëåêóëÿðíûõ áèîëîãîâ è ãåíîñèñòåìàòèêîâ. Íàïðèìåð, ó ñòàòüè, ãäå îïèñûâàåòñÿ ñòðîåíèå ãåíîìà ñåííîé ïàëî÷êè, îêîëî 150 ñîàâòîðîâ1! Ðàíüøå, ïîæàëóé, òîëüêî ôèçèêè-ýêñïåðèìåíòàòîðû ñîçäàâàëè ñòîëü êðóïíûå èññëåäîâàòåëüñêèå êîëëåêòèâû. Èç ÷èñëà äîñòèæåíèé ãåíîìèêè ìèêðîáîâ îòìåòèì åå ðîëü â âûÿñíåíèè ðàñïðîñòðàíåííîñòè ëàòåðàëüíîãî ïåðåíîñà ãåíîâ ó ìèêðîîðãàíèçìîâ. Èíòåðåñíûå ðåçóëüòàòû ïîëó÷èëè ïðè èçó÷åíèè ãåíîìà îäíîãî èç ãèïåðòåðìîôèëüíûõ ìèêðîîðãàíèçìîâ, Aquifex aeolicus2. Îêàçàëîñü, ÷òî åãî ãåíîì ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñëîæíóþ ìîçàèêó, ñîñòîÿùóþ êàê èç «ñîáñòâåííûõ» ãåíîâ A.aeolicus, òàê è ãåíîâ, «ïîçàèìñòâîâàííûõ» èì ó äðóãèõ òåðìîôèëüíûõ ìèêðîáîâ. Ïî ìíåíèþ àâòîðîâ ýòîé ðàáîòû, êàê ìèíèìóì 10% ãåíîâ ïîÿâèëîñü â ãåíîìå A.aeolicus â ðåçóëüòàòå ëàòåðàëüíîãî ïåðåíîñà. Ïåðåíîñ ãåíîâ óäàëîñü çàôèêñèðîâàòü è êîëè÷åñòâåííî îöåíèòü íå òîëüêî ìåæäó òåðìîôèëüíûìè àðõåáàêòåðèÿìè, íî è ìåæäó íèìè è ýóáàêòåðèÿìè, àäàïòèðîâàâøèìèñÿ ê âûñîêèì òåìïåðàòóðàì, ò.å. ìåæäó ðàçíûìè íàäöàðñòâàìè æèâîãî. Íå ìåíåå âàæíûå ðåçóëüòàòû ïîëó÷åíû ïðè èçó÷åíèè îáìåíà ãåíàìè ìåæäó ïàòîãåííûìè ýóáàêòåðèÿìè. Íåäàâíî ïîêàçàíî, ÷òî ê òàêîìó îáìåíó ñïîñîáíû áàêòåðèè èç ðîäîâ Haemophilus è Neisseria, â ÷àñòíîñòè,

À.Ñ.Àíòîíîâ

Ñõåìà ñòðîåíèÿ ãåíîìà Aquifex aeolicus. Ñâåòëûìè çàíû ãåíû, ïåðåøåäøèå èç òåðèé. Áëîêè òàêèõ ãåíîâ ìè.

ãèïåðòåðìîôèëà êðóæî÷êàìè ïîêàãåíîìîâ àðõåáàêîáâåäåíû ðàìêà-

ãåíàìè âèðóëåíòíîñòè. Ýòî òðåâîæíûé ñèãíàë äëÿ ìåäèêîâ3!  ïîñëåäíåå âðåìÿ ëàòåðàëüíûé ïåðåíîñ ôðàãìåíòîâ ÄÍÊ íàáëþäàëñÿ óæå âî ìíîãèõ ñëó÷àÿõ: òàê, íàïðèìåð, ýëåìåíò «mariner» ãåíîìà äðîçîôèëû îáíàðóæåí â ãåíîìå ïðîñòåéøåãî, ëåéøìàíèè, à öåëûå áëîêè ãåíîâ äâóäîëüíûõ ðàñòåíèé — â ãåíîìàõ îäíîäîëüíûõ. Ñóùåñòâîâàíèå ìèêðîîðãàíèçìîâ ñ ìîçàè÷íûìè ãåíîìàìè ñòàâèò ïåðåä ñèñòåìàòèêàìè ñëîæíóþ çàäà÷ó. Ñîâñåì íåäàâíî, îòêàçàâøèñü ïîñòðîèòü ôèëîãåíåòè÷åñêîå äåðåâî ìèêðîáîâ ïî ðåçóëüòàòàì èçó÷åíèÿ èõ ôåíîòèïîâ, ìèêðîáèîëîãè ðåøèëè, ÷òî ðàçóìíåå ñòðîèòü ñèñòåìó ïî ìîëåêóëÿðíûì ïðèçíàêàì, ïî ñòðîåíèþ ãåíîâ ðèáîñîìíîé ÐÍÊ (ðÐÍÊ). Ïðè ýòîì èñõîäèëè èç âïîëíå ðàçóìíîãî ïðåäïîëîæåíèÿ, ÷òî ÷åì áîëåå ïîõîæè ýòè ãåíû, òåì â áîëåå áëèçêîì ðîäñòâå íàõîäÿòñÿ ñðàâíèâàåìûå âèäû ìèêðîáîâ. Èíûìè ñëîâàìè, ðåøèëè ñòðîèòü ñèñòåìó ïî ðåçóëüòàòàì ñîïîñòàâëåíèÿ âñåãî îäíîãî ãåíà, îñòàâèâ â ñòîðîíå âñå îñòàëüíûå. Õîòÿ

1

Kunst F., O gasawara N., M osz er I. et al. // Nature. 1997. V.390. P.249—256. 2 Aravind L., Tatusov R.I., Wolf Yu.I., Walker D.R., K o onin E.V. // TIG. 1998. V.14. P.442—444.

3 Kroll J.S., Wilks K.E., Farrant J.L., Langford P.R. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998. V.95. P.12381— 12385.

2 1

Ãåíîìèêà è ãåíîñèñòåìàòèêà

ýòîò ïðèíöèï è áûë ïîëîæåí â îñíîâó ïîñëåäíåãî îïðåäåëèòåëÿ ìèêðîáîâ Áåðäæè, âðÿä ëè îí áûë ñàìûé ïðàâèëüíûé. Âåäü ÷èñëî ãåíîâ äàæå ó íàèáîëåå ïðîñòî óñòðîåííûõ ìèêðîîðãàíèçìîâ èçìåðÿåòñÿ ñîòíÿìè, è ñîçäàâàòü ñèñòåìó ïî ðåçóëüòàòàì èçó÷åíèÿ âñåãî îäíîãî èç íèõ, ïóñòü äàæå ôèëîãåíåòè÷åñêè âåñüìà èíôîðìàòèâíîãî, ïî ìåíüøåé ìåðå ëåãêîìûñëåííî. Äëÿ äðóãèõ ñèñòåìàòèêîâ, èçó÷àþùèõ áîëåå ñëîæíî óñòðîåííûå îðãàíèçìû, òàêîé ïîäõîä ê ïîñòðîåíèþ ñèñòåì — äàâíî ïðîéäåííûé è îòâåðãíóòûé ýòàï. Ïðåäñòàâüòå ñåáå, íàïðèìåð, ÷òî ìû ñòðîèì ñèñòåìó ñåìåííûõ ðàñòåíèé, èñõîäÿ òîëüêî èç ñòðîåíèÿ öâåòêà. Îáðàçîâàíèå ýòîãî âàæíåéøåãî îðãàíà êîäèðóåòñÿ ìíîæåñòâîì ãåíîâ è äàåò íàì íåñðàâíåííî áîëüøå èíôîðìàöèè î ðîäñòâå ðàñòåíèé, ÷åì ñðàâíèòåëüíîå èçó÷åíèå ãåíîâ èõ ÐÍÊ. Îäíàêî òàêîé ïóòü íå ïðèâåë áîòàíèêîâ ê óñïåõó. ×åðåç íåêîòîðîå âðåìÿ îíè óáåäèëèñü, ÷òî ýòîò ïîäõîä íå ïîçâîëÿåò ïîñòðîèòü ôèëîãåíåòè÷åñêóþ ñèñòåìó ðàñòåíèé, â êîòîðîé ãðóïïû âèäîâ (ðîäû, ñåìåéñòâà, ïîðÿäêè è ïð.) îáúåäèíÿëèñü áû, èñõîäÿ èç ñòåïåíè èõ ýâîëþöèîííîãî ðîäñòâà. Òîëüêî êîìïëåêñíîå èññëåäîâàíèå âñåõ ïðèçíàêîâ íûíå æèâóùèõ è âûìåðøèõ ðàñòåíèé ïîçâîëèëî èì ïðèáëèçèòüñÿ ê ðåøåíèþ ýòîé ïðîáëåìû è âûäâèíóòü ðÿä ïðàâäîïîäîáíûõ ãèïîòåç îá ýâîëþöèîííîé èñòîðèè ðàñòåíèé. Èíûìè ñëîâàìè, ìèêðîáèîëîãàì ïðåäñòîèò âûáðàòü åùå êàêîé-íèáóäü ãåí, à ëó÷øå íåñêîëüêî, èçó÷èòü èõ ñòðîåíèå íå ìåíåå òøàòåëüíî, ÷åì íóêëåîòèäíûå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ãåíà ðÐÍÊ, è ñîïîñòàâèòü ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû. Òàêàÿ ðàáîòà óæå íà÷àòà, è ÷åòêèå ñõåìû, ïîñòðîåííûå ñ ïîìîùüþ îäíîãî ãåíà ðÐÍÊ, ïîñòåïåííî ðàçìûâàþòñÿ. Ìèêðîáèîëîãàì ïðèäåòñÿ ïîëîìàòü ãîëîâó íàä òåì, ÷òî äåëàòü äàëüøå. Ãåíîìèêà òàêæå ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñïîñîá êîìïëåêñíîãî èçó÷åíèÿ ìèêðîîðãàíèçìîâ, íî âìåñòî ôåíîòèïîâ îíà èññëåäóåò èõ ãåíîòèïû. Åñëè îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ìèêðîîðãàíèçìû ëåãêî îáìåíèâàþòñÿ ãåíàìè, òî ñîçäàåòñÿ ëþáîïûòíàÿ ñèòóàöèÿ: ìèêðîáû ñòàíîâÿòñÿ õèìåðà-

ìè, íåñóùèìè ÷åðòû ñðàçó íåñêîëüêèõ âèäîâ, è, ïî ìåðå âñå áîëåå ïîäðîáíîãî èçó÷åíèÿ èõ ãåíîòèïîâ, âñå ñëîæíåå îòíåñòè êàæäûé êîíêðåòíûé âèä ê êàêîéòî îïðåäåëåííîé âåòâè èõ ýâîëþöèîííîãî ðàçâèòèÿ. Äëÿ ðåøåíèÿ ýòîé íåëåãêîé çàäà÷è íàì, âîçìîæíî, ïðèäåòñÿ âñïîìíèòü è «ïðîñòðàíñòâî ëîãè÷åñêèõ âîçìîæíîñòåé» Ã.À.Çàâàðçèíà, è äðóãèå àíàëîãè÷íûå ïðåäëîæåíèÿ ñèñòåìàòèêîâ4. Äåéñòâèòåëüíî, ê êàêîìó îòðÿäó ìëåêîïèòàþùèõ ïðèøëîñü áû îòíåñòè êåíòàâðîâ? Ê ðûáàì èëè ìëåêîïèòàþùèì ïðèíàäëåæàò ðóñàëêè? Óñïåõè ãåíîìèêè äðóãèõ ãðóïï îðãàíèçìîâ íåñðàâíåííî ñêðîìíåå. Ïðîäîëæàþòñÿ èññëåäîâàíèÿ ãåíîìà ÷åëîâåêà, êðåñòîöâåòíîãî ðàñòåíèÿ — àðàáèäîïñèñà — è äðóãèõ ñëîæíî óñòðîåííûõ ýâêàðèîò, êîëè÷åñòâî ÄÍÊ â êîòîðûõ íà ïîðÿäêè âûøå, ÷åì â ãåíîìàõ ìèêðîîðãàíèçìîâ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ èçâåñòíû ïîëíûå ïåðâè÷íûå ñòðóêòóðû âñåãî ó äâóõ âèäîâ ýâêàðèîò: äðîææåé è âîçáóäèòåëÿ ìàëÿðèè. Îäíàêî ðàáîòà íàä ãåíîìàìè äðóãèõ âèäîâ èäåò âñå áûñòðåå è áëèçèòñÿ ê çàâåðøåíèþ. Òåõíè÷åñêèé àðñåíàë ãåíîìèêè âñå âðåìÿ îáîãàùàåòñÿ ìåòîäàìè, êîòîðûå çà ìåíüøåå âðåìÿ ïîçâîëÿþò ïîëó÷àòü áîëüøå èíôîðìàöèè î ñòðîåíèè ÄÍÊ. Èìåííî ïîýòîìó íåêîòîðûå ñïåöèàëèñòû ñ÷èòàþò, íàïðèìåð, ÷òî âñåãî ÷åðåç 5—7 ëåò áóäóò îïðåäåëåíû ïîëíûå ïåðâè÷íûå ñòðóêòóðû ãåíîìîâ ó ïðåäñòàâèòåëåé âñåõ îòðÿäîâ ìëåêîïèòàþùèõ5. Ïîëó÷èâ â ñâîè ðóêè òàêóþ èíôîðìàöèþ, èññëåäîâàòåëè âïåðâûå ñìîãóò ïîñòðîèòü ïîëíîå ìîëåêóëÿðíîå äåðåâî, îòðàæàþùåå ðîäñòâåííûå ñâÿçè ìåæäó ýòèìè æèâîòíûìè è ñîïîñòàâèòü ýòè ñâÿçè ñî ñõåìàìè, ïîëó÷åííûìè ïðè ïîìîùè êëàññè÷åñêèõ ìåòîäîâ ôèëîãåíåòèêè è ïàëåîíòîëîãèè. Êàæåòñÿ, óæå áëèçêà äàâíèøíÿÿ ìå÷òà èçâåñòíîãî ãåíåòèêà Ô.Äîáæàíñêîãî, êîòîðûé 30 ëåò íàçàä ïèñàë: «Ñî âðåìåíåì íàì, âîçìîæíî, ñòàíåò èçâåñòíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ãåíåòè÷åñêèõ 4

Ç à â à ð ç è í Ã.À. Ïðîñòðàíñòâî ëîãè÷åñêèõ âîçìîæíîñòåé â ìíîãîîáðàçèè áàêòåðèé è ôèëîãåíèÿ // Ïðèðîäà. 1979. ¹ 6. Ñ.9—19. 5 O ’Brien S.J., W einderg J., L yons L.A. // TIG. 1997. V.13. P.393—399.

2 2

À.Ñ.Àíòîíîâ

Ñõåìà ñòðîåíèÿ õïÄÍÊ òðåõ âèäîâ âûñøèõ ðàñòåíèé: ìàðøàíöèè, òàáàêà è ðèñà.  îñíîâó ïîëîæåíà õïÄÍÊ òàáàêà (156 òûñ. ïàð íóêëåîòèäîâ). Ïîêàçàíî ðàñïîëîæåíèå îòäåëüíûõ ãåíîâ â ýòîé õðîìîñîìå. Ñíàðóæè êîëüöà — ãåíû, êîòîðûå òðàíñêðèáèðóþòñÿ ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè, à èçíóòðè — ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå. Êðóæî÷êàìè îáâåäåíû ãåíû, ïðèñóòñòâóþùèå â õïÄÍÊ òàáàêà è ìàðøàíöèè, íî îòñóòñòâóþùèå â õïÄÍÊ ðèñà. Öâåòîì ïîêàçàíû ãåíû, îáùèå äëÿ òàáàêà è ðèñà, íî îòñóòñòâóþùèå ó ìàðøàíöèè. Ãåí, èìåþùèéñÿ òîëüêî â õïÄÍÊ òàáàêà, âûäåëåí ÷åðíûì ïðÿìîóãîëüíèêîì. Çâåçäî÷êàìè îáîçíà÷åíû ãåíû, èìåþùèå âî âñåõ òðåõ õïÄÍÊ îäèíàêîâûå èíòðîíû. Öâåòíûå çâåçäî÷êè óêàçûâàþò íà ãåíû, èíòðîíû â êîòîðûõ åñòü òîëüêî ó ìàðøàíöèè è òàáàêà. Óòîëùåííûå ÷àñòè êîëüöåâîé õðîìîñîìû — îáðàùåííûå ïîâòîðû â ãåíîìå òàáàêà. Òàêèå æå óòîëùåííûå ëèíèè âíóòðè è ñíàðóæè öåíòðàëüíîé õðîìîñîìû ñîîòâåòñòâóþò îáðàùåííûì ïîâòîðàì â õïÄÍÊ ìàðøàíöèè è ðèñà. Ó÷àñòêè, äåëåòèðîâàííûå èç îáðàùåííûõ ïîâòîðîâ ðèñà (ïðè ñîïîñòàâëåíèè ñ õïÄÍÊ òàáàêà), íà ýòèõ ëèíèÿõ ïîêàçàíû äèàãîíàëüíîé øòðèõîâêîé. Ñêîáêîé âíóòðè âûäåëåí ó÷àñòîê, èíâåðòèðîâàííûé â õïÄÍÊ ìàðøàíöèè. Ïðîíóìåðîâàííûå ñêîáêè ñíàðóæè êîëüöà óêàçûâàþò íà èíâåðñèè â õïÄÍÊ ðèñà. Ãåíû îáîçíà÷åíû îáùåóïîòðåáèòåëüíûìè ñèìâîëàìè. ORF — îòêðûòûå ðàìêè ñ÷èòûâàíèÿ (ò.å. ó÷àñòêè ãåíîìîâ, êîòîðûå ìîãóò êîäèðîâàòü áåëêè). (P a l m e r J.D. // TIG. 1990. V.6. P.115—120.)

Ãåíîìèêà è ãåíîñèñòåìàòèêà

«áóêâ», íóêëåîòèäîâ, âî âñåõ ãåíàõ ó âñåõ îðãàíèçìîâ. Òîãäà îêàæåòñÿ âîçìîæíûì êîëè÷åñòâåííî îöåíèòü ñõîäñòâà è ðàçëè÷èÿ ìåæäó íèìè è ñîçäàòü íà ýòîé îñíîâå êëàññèôèêàöèè æèâûõ ñóùåñòâ, îñíîâàííûå íà òî÷íîé èíôîðìàöèè îá èõ ãåíåòè÷åñêîé ñîñòàâëÿþùåé...»6 Ïðàâäà, ïîêà íåÿñíî, áóäóò ëè ñõåìû, ïîñòðîåííûå íà îñíîâàíèè èçó÷åíèÿ ôåíîòèïîâ è ãåíîòèïîâ, òîïîëîãè÷åñêè ïîäîáíû. Âåäü â ïðîöåññàõ ìîëåêóëÿðíîé è îðãàíèçìåííîé ýâîëþöèè åñòü ðÿä ñïåöèôè÷åñêèõ îñîáåííîñòåé, êîòîðûå íå ïîçâîëÿþò ñ÷èòàòü, ÷òî ýâîëþöèÿ ôåíîòèïîâ âñåãäà ïîëíîñòüþ ïîâòîðÿåò ýâîëþöèþ ãåíîòèïîâ. Òàê îáñòîÿò äåëà ñ æèâîòíûìè. ×òî æå êàñàåòñÿ ðàñòåíèé, òî çàíèìàòüñÿ ãåíîìèêîé ýòîé ãðóïïû âûñøèõ ýâêàðèîò íåñðàâíåííî ñëîæíåå: ðàçìåð ãåíîìà ó íèõ, êàê ïðàâèëî, ãîðàçäî áîëüøå, ÷åì ó æèâîòíûõ. Ãåíîñèñòåìàòèêè íå ñëó÷àéíî âûáðàëè äëÿ ñâîèõ îïûòîâ èìåííî àðàáèäîïñèñ: ó íåãî îäèí èç ñàìûõ ìàëåíüêèõ ãåíîìîâ ñðåäè ïîêðûòîñåìåííûõ ðàñòåíèé (ó íåêîòîðûõ ëèëèé, íàïðèìåð, îí ÷óòü ëè íå â 1000 ðàç áîëüøå). Íî, êàê ãîâîðèòñÿ, ãîëü íà âûäóìêó õèòðà. Ïîíÿâ, ÷òî ÿäåðíûé ãåíîì áîëüøèíñòâà ðàñòåíèé ñåãîäíÿ ãåíîìèêå íå ïî çóáàì, îíè îáðàòèëè ñâîå âíèìàíèå íà ãåíîìû îðãàíåëë — õëîðîïëàñòîâ è ìèòîõîíäðèé. ß ðàññêàæó ëèøü î ðåçóëüòàòàõ, ïîëó÷åííûõ ïðè èçó÷åíèè ãåíîìîâ õëîðîïëàñòîâ. Îñíîâû äëÿ ãåíîìèêè ïëàñòèä ðàñòåíèé áûëè çàëîæåíû äàâíî. Åùå â ñàìîì íà÷àëå ïðèìåíåíèÿ ìåòîäîâ îïðåäåëåíèÿ íóêëåîòèäíûõ ïîñëåäîâàòåëüíîñòåé ÄÍÊ ÿïîíñêèå ó÷åíûå ïîïûòàëèñü ïðî÷èòàòü ïîëíûå ïåðâè÷íûå ñòðóêòóðû õëîðîïëàñòíûõ ÄÍÊ (õïÄÍÊ) äâóõ äàëåêî îòñòîÿùèõ äðóã îò äðóãà âèäîâ âûñøèõ ðàñòåíèé: ïðèìèòèâíîãî áðèîôèòà — ìàðøàíöèè è îäíîãî èç ïðîäâèíóòûõ âèäîâ ïîêðûòîñåìåííûõ — òàáàêà. Âñêîðå ýòà çàäà÷à áûëà óñïåøíî ðåøåíà7. Ê 6 D o b s h a n s k y Th. Genetics of the evolutionary process. Columbia Univ. Press. N.Y.; L., 1970. P.414. 7 S h i n o z a k i K., O h m e M., T a n a k a M. et al. // EMBO J. 1986. V.5. P.2043—2049; O h y a m a K., Fukuzawa H., Kohchi T. et al. // Nature. 1986. V.322. P.572—574.

2 3

óäèâëåíèþ èññëåäîâàòåëåé, õïÄÍÊ ýòèõ äâóõ óäàëåííûõ âèäîâ îêàçàëèñü âåñüìà ñõîæèìè, íî íå íàñòîëüêî, ÷òîáû íå çàìåòèòü ïðîèçîøåäøèå â íèõ â õîäå ýâîëþöèè èçìåíåíèÿ. Îäíàêî, ÷òîáû ñîñòàâèòü ïðåäñòàâëåíèå îá ýâîëþöèè âñåõ âûñøèõ ðàñòåíèé, íåîáõîäèìî çíàòü ñòðóêòóðû õïÄÍÊ ïî êðàéíåé ìåðå ó îäíîãî ïðåäñòàâèòåëÿ èç êàæäîãî êðóïíîãî òàêñîíà. Íî òàêèå èññëåäîâàíèÿ ðàçâèâàëèñü õàîòè÷åñêè: îäíè ñ÷èòàëè, ÷òî ïðåæäå âñåãî íóæíî îïðåäåëèòü ñòðîåíèå ÄÍÊ ó õîçÿéñòâåííî âàæíûõ âèäîâ (ðèñà, êóêóðóçû è ò.ï.), à äðóãèå, óâëå÷åííûå ýâîëþöèîííûìè ïðîáëåìàìè, èññëåäîâàëè õïÄÍÊ ñîñíû, ïàïîðîòíèêîîáðàçíîãî ðàñòåíèÿ ïñèëîòà è äðóãèõ âèäîâ. Ê íà÷àëó 1999 ã. äîñòîâåðíî áûëî èçâåñòíî ñòðîåíèå õïÄÍÊ îêîëî äåñÿòè âèäîâ âûñøèõ ðàñòåíèé. Êîíå÷íî, ïðî÷èòàòü ïåðâè÷íóþ ñòðóêòóðó õïÄÍÊ íåñðàâíåííî ëåã÷å, ÷åì, ñêàæåì, ÿäåðíîãî ãåíîìà àðàáèäîïñèñà, íî âñå æå òðåáóåò íå ìåíüøèõ óñèëèé, ÷åì èçó÷åíèå ñòðîåíèÿ ãåíîìà ìèêðîáà. È òóò, ÷òî íàçûâàåòñÿ, ãåíîñèñòåìàòèêîâ ðàñòåíèé áåñ ïîïóòàë. Âìåñòî ýòîé òÿæåëîé, íî íóæíîé ðàáîòû, îíè çàíÿëèñü ñðàâíåíèåì îòäåëüíûõ ÿäåðíûõ, õëîðîïëàñòíûõ è ìèòîõîíäðèàëüíûõ ãåíîâ, íàäåÿñü, ÷òî òàêèì, áîëåå ëåãêèì, ïóòåì îíè áûñòðåå ðàçãàäàþò òàéíó ýâîëþöèè âûñøèõ ðàñòåíèé. Ïðè ýòîì îíè, êàê ïðàâèëî, íå óòðóæäàëè ñåáÿ ïîèñêàìè íàèáîëåå ïîäõîäÿùåãî äëÿ ýòèõ öåëåé ãåíà èëè äðóãîãî ó÷àñòêà õïÄÍÊ, à ïîøëè ïî ïðèíöèïó «ïîèñêà êîøåëüêà ïîä ôîíàðåì».  êà÷åñòâå îñíîâíîãî îáúåêòà èññëåäîâàíèé ïåðâîíà÷àëüíî âçÿëè äâà ãåíà: îäèí èç íèõ êîäèðîâàë ñòðóêòóðó 18S ðÐÍÊ, à äðóãîé — îäíó èç ñóáúåäèíèö êëþ÷åâîãî ôåðìåíòà ôîòîñèíòåçà, ãåí rbcL. Ê íà÷àëó 1999 ã. ñòðóêòóðó ãåíà 18S ðÐÍÊ îïðåäåëèëè ó áîëåå ÷åì 400 âèäîâ âûñøèõ ðàñòåíèé, à ÷èñëî èçó÷åííûõ ãåíîâ rbcL ïåðåâàëèëî çà 2.5 òûñ. Îäíàêî óæå â 1996—1997 ãã. ñòàëî ÿñíî, ÷òî ðàáîòà ýòà âåäåòñÿ â çíà÷èòåëüíîé ìåðå âïóñòóþ: êàê ïîêàçàë ñïåöèàëüíûé àíàëèç, ïðîâåäåííûé ó÷åíûìè Ãàðâàðäñêîãî óíèâåðñèòåòà, ïîñòðîèòü íà îñíîâàíèè ýòèõ ðåçóëüòàòîâ äîñòàòî÷íî óñòîé-

2 4

À.Ñ.Àíòîíîâ

Ôèëîãåíåòè÷åñêîå äåðåâî, îòðàæàþùåå âçàèìîñâÿçè âàæíåéøèõ òàêñîíîâ íàçåìíûõ ðàñòåíèé. Ïîñòðîåíî NJ-ìåòîäîì ïî ðåçóëüòàòàì èçó÷åíèÿ ýâîëþöèè ñïåéñåðíûõ ïîñëåäîâàòåëüíîñòåé ITS 2—4.

÷èâûå ôèëîãåíåòè÷åñêèå äåðåâüÿ âûñøèõ ðàñòåíèé â ïðèíöèïå íåâîçìîæíî8. Âåäóùèé èññëåäîâàòåëü ãåíà rbcL Ì.×åéç, ãðóïïà êîòîðîãî èññëåäîâàëà ñòðîåíèå ýòîãî ãåíà ó íåñêîëüêèõ ñîòåí âèäîâ ðàñòåíèé, â êîíöå êîíöîâ ïðèçíàë, ÷òî íàèáîëüøåå êîëè÷åñòâî ôèëîãåíåòè÷åñêè çíà÷èìîé èíôîðìàöèè ìîæíî ïîëó÷èòü, èçó÷àÿ íåêîäèðóþùèå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ÄÍÊ (çàòåì èäóò ãåíû áåëêîâ, à íà ïîñëåäíåì ìåñòå íàõîäÿòñÿ ãåíû ðÐÍÊ)9. Íî ×åéç çàïîçäàë ñ òàêèì ïðèçíàíèåì. Åùå â 1994 ã. ïîÿâèëàñü ñòàòüÿ, â êîòîðîé ïðÿìî óêàçûâàëîñü íà ïðåèìó8

Kellog E.A., Juliano N.D. // Amer. L. Bot. 1997. V.84(3). P.413—428. 9 Chase M.H., Cox A.V., Soltis D.E. // Ibidem. V.84(6). P.181.

ùåñòâà èññëåäîâàíèÿ íåêîäèðóþùèõ ó÷àñòêîâ ÄÍÊ10. Ýòà ðàáîòà ëèøü óáåäèëà â ïðàâèëüíîñòè âûáîðà ôðàãìåíòà íåêîäèðóþùåé ÄÍÊ äëÿ èçó÷åíèÿ ýâîëþöèè ðàñòåíèé ãðóïïîé ïîä ðóêîâîäñòâîì À.Â.Òðîèöêîãî â ÌÃÓ. Îíè èññëåäîâàëè ýâîëþöèîííûå èçìåíåíèÿ (òàê íàçûâàåìûé ó÷àñòîê ITS 2—4) â ó÷àñòêå õëîðîïëàñòíîé ÄÍÊ, ðàñïîëàãàþùåìñÿ ìåæäó ãåíàìè 23S ðÐÍÊ è ãåíîì òÐÍÊàðã. Èññëåäîâàíèÿ âåëèñü â ñîäðóæåñòâå ñ ãðóïïîé Ó.Ìàðòèíà (Ãåíåòè÷åñêèé öåíòð óíèâåðñèòåòà ã.Áðàóíøâåéãà, ÔÐÃ), êîòîðàÿ âçÿëà íà ñåáÿ îñíîâíóþ 10 Bohle U.R., Hilger H.H., Cerff R., Martin W. Non-coding chloroplast DNA for plant molecular systematics at the infrageneric level // Molecular ecology and evolution: approaches and applications / Eds B.Schierwater et al. Basel, 1994. P.391—403.

Ãåíîìèêà è ãåíîñèñòåìàòèêà

Ôèëîãåíåòè÷åñêîå äåðåâî âûñøèõ ðàñòåíèé è âîäîðîñëåé, ïîñòðîåííîå ïî ðåçóëüòàòàì ñîïîñòàâëåíèÿ ãåíà rbcL. ×åðíûå êâàäðàòèêè — íàëè÷èå èíòðîíîâ, áåëûå — èõ îòñóòñòâèå â íåêîòîðûõ ãåíàõ (óêàçàíû ñâåðõó) ìèòîõîíäðèàëüíîé ÄÍÊ. 1 — ñåìåííûå ðàñòåíèÿ, 2 — ïàïîðîòíèêè, 3 — äðóãèå ñîñóäèñòûå ðàñòåíèÿ, 4 — àíòîöåðîòîâûå ìõè, 5 — ìõè, 6 — ïå÷åíî÷íèêè, 7 — çåëåíûå âîäîðîñëè, 8 — êðàñíûå âîäîðîñëè. Ñòðåëêîé ïîêàçàíî íåîáû÷íîå ïîëîæåíèå àíòîöåðîòîâûõ ìõîâ. (Q i u Y-L. et al., 1998; H o l z m a n D., 1998.)

íàãðóçêó ïî èçó÷åíèþ ITS 2—3 ïàïîðîòíèêîâ, à ãðóïïà À.Â.Òðîèöêîãî — ITS 2— 4 ó îñòàëüíûõ âûñøèõ ðàñòåíèé. Êîíå÷íûì ðåçóëüòàòîì ðàáîòû ñòàëî ôèëîãåíåòè÷åñêîå äåðåâî âûñøèõ ðàñòåíèé. Îíî âêëþ÷àåò â ñåáÿ äàëåêî íå âñå èçó÷åííûå âèäû, è ïîñòðîåíî èñêëþ÷èòåëüíî äëÿ òîãî, ÷òîáû ïîêàçàòü îñíîâíûå óçëû äèâåðãåíöèè íàèáîëåå êðóïíûõ ãðóïï ðàñòåíèé11. Ýòà ñõåìà íå óñòóïàåò ëþáîìó èç ïîñòðîåíèé, ïðåäëîæåííûõ ðàíåå ïàëåîáîòàíèêàìè èëè ôèëîãåíåòèêàìè, èññëåäîâàâøèìè ôåíîòèï ðàñòåíèé. Åñòü ó íåå è íåáîëüøîå îòëè÷èå: íåîáû÷íîå ïîëîæåíèå ãðóïïû àíòîöåðîòîâûõ ìõîâ. ×àñòü ïàëåîáîòàíèêîâ ñêëîííà ñ÷èòàòü, ÷òî ýòè ìõè — ýâîëþöèîííî î÷åíü äðåâíÿÿ ãðóïïà, íî, ìîæåò áûòü, îíè ïðèíèìàþò çà ïðåäêîâ àíòîöåðîòîâûõ êàêèå-òî äðóãèå ðàñòåíèÿ? Âåäü â ðåçóëüòàòå èçó÷åíèÿ ìèòîõîíäðèàëüíûõ èíòðîíîâ Þ.-Ë.Êèó ñ ñîàâòîðàìè òàêæå ïîñòðîèëè äåðåâî12, íà êîòîðîì àíòîöåðîòîâûå ìõè çàíèìàþò òî æå ïîëîæåíèå, ÷òî è íà äåðåâå, ïîñòðîåííîì íàìè ïî ðåçóëüòàòàì èçó÷åíèÿ ýâîëþöèè ITS 2-4. Åñëè áû ìû çíàëè ïîëíóþ ïåðâè÷íóþ ñòðóêòóðó õïÄÍÊ îäíîãî èç âèäîâ àíòîöåðîòîâûõ ìõîâ, òî îêîí÷àòåëüíûé îòâåò íà ýòîò âîïðîñ áûë áû íàéäåí. Ê ñîæàëåíèþ, òàêèå èññëåäîâàíèÿ òîëüêî ïëàíèðóþòñÿ. 11 Ñì.: À í ò î í î â À.Ñ. Ïðîèñõîæäåíèå îñíîâíûõ ãðóïï íàçåìíûõ ðàñòåíèé // Ïðèðîäà. 1997. ¹ 10. Ñ. 55—63. 12 Qiu Y-L., Cho Y., Cox C., Palmer J.D. // Nature. 1998. V.394. P.671—674; H o l z m a n D. // ASM News. 1998. V.64. P.679—680.

2 5

2 6

Ôèëîãåíåòè÷åñêîå äåðåâî ïëàñòèä âîäîðîñëåé è ðàñòåíèé è èõ ïðåäïîëàãàåìîãî ýâîëþöèîííîãî ïðåäêà, öèàíîáàêòåðèè Synechocystis, ïîñòðîåííîå ïî ðåçóëüòàòàì ñîïîñòàâëåíèÿ 45 îðòîëîãè÷íûõ áåëêîâ NJ-ìåòîäîì. Öèôðàìè ïîêàçàíû âåòâè ñî 100% ñòàòèñòè÷åñêîé äîñòîâåðíîñòüþ. (M a r t i n W. et al., 1998.)

 îñíîâíîì âñå ñõåìû, ïîñòðîåííûå íà îñíîâå èçó÷åíèÿ ýâîëþöèè îòäåëüíûõ ó÷àñòêîâ ÄÍÊ, ïî÷òè îäèíàêîâî îïèñûâàþò ýâîëþöèþ âûñøèõ ðàñòåíèé. Îäíàêî åñòü îáñòîÿòåëüñòâà, êîòîðûå íå ïîçâîëÿþò ñ÷èòàòü èõ îêîí÷àòåëüíûì ðåøåíèåì ïðîáëåìû: âî-ïåðâûõ, áîëüøèíñòâî òàêèõ äåðåâüåâ òîïîëîãè÷åñêè ìàëîñòàáèëüíî, âî-âòîðûõ, äîñòîâåðíîñòü óçëîâ âåòâëåíèÿ îáû÷íî íåâåëèêà, è, íàêîíåö, îíè íå äàþò îäíîçíà÷íûõ îòâåòîâ íà ðÿä êëþ÷åâûõ âîïðîñîâ ôèëîãåíåòèêè. Òàê, óæå ìíîãî ëåò ïðîäîëæàåòñÿ äèñêóññèÿ, åñòü ëè ñðåäè ñîâðåìåííûõ ãîëîñåìåííûõ áëèçêèå ðîäñòâåííèêè ïîêðûòîñåìåííûõ ðàñòåíèé (íà ýòó ðîëü îáû÷íî ïðåòåíäóþò ãíåòîâûå). Ýòè çàäà÷è è âçÿëàñü ðåøàòü ãåíîìèêà. Âñå íà÷àëîñü ñ òîãî, ÷òî áûâøèé àñïèðàíò íàøåãî îòäåëà Â.Â.Ãîðåìûêèí, áóäó÷è â êîìàíäèðîâêå â Ãåðìàíèè, â ëàáîðàòîðèè Ó.Ìàðòèíà, ðåøèë ïîñìîòðåòü, êàêèå èçó÷åííûå ê òîìó âðåìåíè ãåíû õïÄÍÊ íåñóò ìàêñèìàëüíóþ ôèëîãåíåòè÷åñêóþ èíôîðìàöèþ âî âñåì ñïåêòðå âèäîâ, îò öèàíîáàêòåðèé

À.Ñ.Àíòîíîâ

äî ïîêðûòîñåìåííûõ13. Òàêèõ ãåíîâ îêàçàëîñü 45 (êñòàòè, ãåíà rbcL ñðåäè íèõ íå áûëî). Ñòàëî ÿñíî, ÷òî åñëè èçó÷àòü ïåðâè÷íûå ñòðóêòóðû õïÄÍÊ, òî èññëåäîâàòåëè ïîëó÷àò íåñðàâíåííî áîëåå áîãàòûé ìàòåðèàë äëÿ ñîïîñòàâëåíèé, ÷åì ïðè àíàëèçå îòäåëüíûõ ôðàãìåíòîâ ÄÍÊ. Òîãäà íà íåáîëüøîì ìàòåðèàëå Ãîðåìûêèíó ñ ñîàâòîðàìè óäàëîñü âûÿñíèòü, ÷òî äèâåðãåíöèÿ ãîëî- è ïîêðûòîñåìåííûõ ðàñòåíèé ïðîèçîøëà ïðèáëèçèòåëüíî 350 ìëí ëåò íàçàä, à äâóäîëüíûõ è îäíîäîëüíûõ ðàñòåíèé — 160 ìëí ëåò íàçàä14. Íàäåæíîñòü ïîñòðîåííîãî èìè ïðîñòåéøåãî ôèëîãåíåòè÷åñêîãî äåðåâà áûëà âî ìíîãî ðàç âûøå âñåõ ïðåäûäóùèõ äåðåâüåâ. Âåäü â åãî îñíîâó áûëè ïîëîæåíû ðåçóëüòàòû àíàëèçà ýâîëþöèè íå îäíîãî-äâóõ, à ñðàçó íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ ãåíîâ. Î÷åâèäíî, òàêóþ ðàáîòó íåîáõîäèìî ïðîäîëæàòü, è ñåãîäíÿ ðÿä ñèëüíûõ ëàáîðàòîðèé èäåò ïî ýòîìó ïóòè. Íàäî ñêàçàòü, ÷òî äðóãèå àâòîðû ïðåäëîæèëè èíîå ðåøåíèå. Îíè ñòàëè ñîåäèíÿòü âîåäèíî äàííûå, ïîëó÷åííûå äëÿ ðàçíûõ ãåíîâ, àíàëèçèðîâàòü òàêèå èñêóññòâåííî ñöåïëåííûå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè è â êîíå÷íîì ñ÷åòå îòìåòèëè, ÷òî íàäåæíîñòü âûâîäîâ ïðè ýòîì ïîâûøàåòñÿ. Æàëü òîëüêî, ÷òî â ÷èñëî òàêèõ ãåíîâ ÷àñòåíüêî ïîïàäàëè âñå òå æå ãåíû rbcL, 18S ðÐÍÊ è äð., äàëåêî íå ëó÷øèå êàíäèäàòû íà ðîëü ïîâîäûðåé â òåìíîì ïðîøëîì íàçåìíûõ ðàñòåíèé. Åñëè ×.Äàðâèí äàæå ïðîèñõîæäåíèå ïîêðûòîñåìåííûõ ðàñòåíèé íàçûâàë «ïðîêëÿòîé çàãàäêîé», òî êàê ìîæíî íàçâàòü ñîáûòèÿ, ïðîèñõîäèâøèå ìíîãèå ñîòíè ìèëëèîíîâ ëåò íàçàä, êîãäà íà ïîâåðõíîñòè Çåìëè ïîÿâèëèñü âûñøèå ðàñòåíèÿ? Íàäåæäó, ÷òî ñî âðåìåíåì ó÷åíûå ðåøàò ýòó çàäà÷ó, äàåò ãåíîìèêà. Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ÐÔÔÈ. Ãðàíò 96-15-97970.

ïîääåðæêå

13 Martin W., Stoebe B., Goremykin V. et al. // Nature. 1998. V.393. P.162—165. 14 Goremykin V., Hausman S., Martin W. // Syst. Evol. 1997. V.206. P.337—351.